双块式无砟轨道连续式道床板后浇带施工工艺研究

2018-04-04张岷

铁道建筑 2018年3期

张　岷

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)

双块式无砟轨道是一种埋入轨枕、现浇道床的轨道结构形式，在我国武广、郑西客运专线首次成功使用[1-2]。此后，由于其具有施工便捷、造价较低等诸多优点，在高速铁路及城际铁路建设中得到了广泛应用，并形成了铁路行业CRTS I型双块式无砟轨道标准结构。但在应用的过程中发现其存在一个难以克服的缺点——道床板裂纹。道床板的严重开裂不但会直接影响到无砟轨道结构的使用寿命，增加了巨额的运营维护成本，甚至会影响到行车安全[3]。目前，在施工过程中虽然已采取了结构优化、工艺改进、混凝土匹配设计、加强养护等诸多措施，但效果并不显著。为此，本文对道床板开裂主要影响因素进行了分析，对开裂问题尤为突出的路基段连续式道床板的施工工艺进行优化，以消减道床板混凝土收缩、徐变，降低早期温度应力的影响，减少道床板开裂。

1　双块式无砟轨道结构开裂成因分析

1.1　结构形式

图1　路基段双块式无砟轨道(单位：m)

双块式无砟轨道结构(见图1)主要由钢轨、扣件、双块式轨枕、现浇混凝土道床板、支承层(底座板)等组成。其中路基段采用连续式道床板结构，仅在路桥或路隧分界点因不同结构沉降差异而设置了变形缝，同时在路基分界两端设置端梁结构(见图2)约束其纵横向位移。由于路基段双块式无砟轨道采用了连续道床板结构，道床板上部受钢轨扣件约束，下部受支承层约束，且设置了端梁结构约束其变形，混凝土所受的水平纵向应力远大于垂直及横向应力，故易导致横向开裂[4]。

1.2　温度应力

路基段连续式道床板结构在进行抗裂检算时，主要以温度应力控制[5]。温度应力取值以工点所在地区年最低气温为准。按规范要求，施工温度在5～30 ℃ 之间取值，考虑到双块式无砟轨道混凝土灌注通常选择在当日低温时段进行，一般可取10 ℃。因此，道床板温降=10 ℃-施工期年最低气温。然而，在实际工程中由于受到环境、工期等因素的影响，混凝土的施工温度波动较大，由此产生的温度应力作用将导致道床板混凝土开裂。

1.3　混凝土收缩

混凝土收缩受诸多因素影响，其发展期较长，在设计检算时一般将混凝土收缩率换算成温降变化幅度，对于双块式无砟轨道连续式道床板结构考虑折减后可按等效温降15 ℃取值。道床板纵向设置上层9根、下层11根φ16钢筋(配筋率0.86%)，裂缝宽度检算允许的最大温降约35 ℃。在混凝土收缩按等效温降15 ℃ 取值时，允许的环境温降为20 ℃，两者的影响比重基本相当。由于环境温度无法改变，施工温度调整空间又有限，因此如何减少混凝土收缩成为降低道床板开裂的关键[6]。目前，在抑制道床板混凝土开裂方面，国内学者、专家提出了诸多改良措施，如通过优化配合比提高混凝土的早期抗拉强度和掺入内养护材料降低混凝土收缩等[7-9]，取得了一定的效果。

1.4　施工方法

由于双块式无砟轨道道床板混凝土采用轨排框架法进行施工，道床板与预制双块式轨枕间存在较多新老混凝土结合面，且施工时新浇混凝土直接暴露在空气中，施工质量易受环境因素影响，导致其开裂的风险进一步提高。施工现场虽已采取了润湿轨枕以增强新老混凝土结合力、振捣时避免漏振或过振、混凝土收面时严禁洒水、及时松开工具轨夹板及扣件释放工具轨温度应力、喷涂养护材料或铺设节水保湿膜[10]等诸多措施，但仍无法根治路基段道床板贯通开裂。

2　后浇带结构设计参数及施工要点

通过分析双块式无砟轨道结构开裂影响因素可知，路基段道床板严重开裂的根本原因是其连续式结构缺少内部应力释放途径。据此，本文在维持连续式道床板结构形式不变的前提下，借鉴长大连续梁设置合拢后浇带的设计理念，从道床板先浇段分段长度、后浇带预留长度、新老混凝土结合面加强及后浇带施工控制4个方面开展研究，将双块式无砟轨道道床板由连续施工方式改为设置后浇带分段施工方式，释放因早期收缩和温度变化所产生的内部应力，以达到减少裂缝的目的。

2.1　先浇段分段长度

先浇段分段长度的确定直接关系到后浇带设置数量及先浇段收缩释放效果。后浇带作为后期二次施工结构，是整个轨道系统的一个薄弱环节，且施工物流组织较为困难，因此应尽量延长先浇段长度，减少后浇带设置数量，但先浇段长度越长，则越不能有效地释放收缩力，两者相互矛盾。因此，本文采用双块式无砟轨道道床板伸缩区的理念来指导确定先浇段分段长度。后浇带浇筑前，先浇段可视为单元式结构，仅承受混凝土收缩、温度荷载、结构层间摩擦力或黏结力约束作用。计算模式见图3。

图3　道床板伸缩区计算模式

由于道床板与支承层处于黏结状态，仅板端局部在温度及收缩作用下产生剥离，温度应力及收缩应力主要是通过支承层假缝释放，进而导致支承层与级配碎石层间产生相对位移。因此，为便于分析可采用如下假定：①道床板与支承层黏结牢固；②支承层假缝完全开裂；③应力释放在支承层与级配碎石层间。

伸缩区长度计算公式：X=E×ΔT×a×(A/r)。其中：E为混凝土弹性模量，C40混凝土取3.25×104N/mm2，C15混凝土取2.2×104N/mm2；ΔT为温降幅度(含收缩折算温降)；a为混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃；A为混凝土截面积，道床板取0.728 m2，支承层取1.02 m2；r为支承层与级配碎石层间摩阻系数，取值范围为 2 200～2 800 N/mm。

由该计算公式可以看出：除了温度参数，其余参数均为定值，伸缩区长度只与温降幅度ΔT相关，推导可得：X=0.184 4ΔT。计算出不同温降幅度下伸缩区长度,见表1。

表1　不同降温幅度下伸缩区长度

选择极端最低温度-18.9 ℃，最大温降44.7 ℃(含收缩折算温降)，伸缩区长度计算值为8.3 m。先浇段分段长度应为伸缩区长度的2倍，即16.6 m。结合目前我国单元式道床板最长为20～30 m，先浇段分别按20，40 m长度进行初步设计，通过现场对比试验最终确定。

2.2　后浇带预留长度

针对双块式无砟轨道连续式道床板结构特点，后浇带形式及其预留长度主要取决于道床板钢筋是否断开。采用连续钢筋和短后浇带的形式虽然具有二次施工量小、无需倒运轨排和便于施工的优点，但由于钢筋连续而不能实现结构单元化，释放温度及收缩应力的能力不足，不但抑制道床板裂缝效果不佳，还会带来温升时道床板上拱的问题[11]。因此，后浇带必须采用钢筋彻底断开的形式。由于后浇带钢筋完全断开的后浇带长度主要受控于道床纵向钢筋配置，连续式道床板结构纵向配筋搭接长度不得小于0.7 m，不同搭接断面间距不得小于1 m，故理论上后浇带最小长度不得小于1.7 m。考虑到轨枕间距一般为0.60～0.65 m，为保证双块式轨枕四周结构的完整性，后浇段最小长度应按3个轨枕间距即1.80～1.95 m控制(见图4)。

图4　钢筋断开的后浇带结构(单位：mm)

2.3　结合面加强措施

在确定后浇带长度的基础上，考虑到大温差下连续式道床板可能存在与下部结构剥离的风险，在后浇带范围内设置了2排8根连接钢筋，加强道床板与支承层的竖向连接(见图5)，以保证道床板长期的整体稳定性。

图5　后浇带连接钢筋布置(单位:mm)

后浇带与先浇段之间界面属于新老混凝土结合面，采用后浇工艺虽未改变结构整体性，但该结合面开裂风险增大。因此，在该结合面处的道床板表层预留宽10 mm、深10 mm的灌注缝，采用有机硅酮灌注封闭，防止后期开裂钢筋锈蚀，见图6。

图6　结合面灌注缝(单位：mm)

2.4　施工要点

后浇带施工工艺作为双块式无砟轨道施工的一种新型工艺，其关键在于道床板的分段浇筑，在保证无砟轨道平顺性的前提下，尽可能地释放混凝土收缩力，精细化施工各结合面，保证最终成品的整体性。基于上述原则提出如下施工要点：

1)无砟轨道先浇段道床板浇筑时，后浇带钢筋及轨枕均应一次铺设并精调到位，二次浇筑后浇带时需复测其几何尺寸。

2)后浇带施工与先浇段浇筑的时间间隔应不小于1个月，并应尽量在接近当地年平均气温的温度下进行后浇带施工。

3)先浇段道床板端部应保证垂直，在后浇带浇筑时，对该结合面进行凿毛、清理、润湿。

3　现场应用

结合宝兰客专无砟轨道工程实际，采用确定的后浇带结构设计参数及施工保证措施，开展后浇带试验。试验段共实施6个段落，其中先浇段长度20 m的试验段3处，合计1.9 km(铺轨)，先浇段长度40 m的试验段3处，合计1.8 km(铺轨)。通过现场的长期观测，得出：①传统工法横向裂缝间距一般在2～5 m；②先浇段长度为20 m的试验段，除与下部基础结合部(如桩板结构伸缩缝)出现个别横向裂缝外，裂缝数量较传统工法大幅减少；③先浇段长度为40 m的试验段除与下部基础结合部出现裂缝外，还在道床板10～20 m内出现横向贯通裂缝；④将后浇带长度调整为3 m左右，后浇带新老混凝土结合面的位置与支承层假缝及下部基础伸缩缝相对应时，裂缝数量约减少60%。